JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 1 Pengaruh Variasi Waktu Ultrasonikasi dan Waktu Tahan Hydrothermal terhadap Struktur dan Konduktivitas Listrik Material Graphene Muhammad Junaidi, Diah Susanti Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: santiche@mat-eng.its.ac.id Abstrak Graphene merupakan satu lapis atom karbon yang mengalami hibridisasi sp 2 membentuk struktur heksagonal 2D. Graphene memiliki potensi besar untuk aplikasi nanoelectronic materials. Penelitian ini bertujuan menganalisis waktu ultrasonikasi dan hidrothermal terbaik untuk mensintesis Graphene. Graphene disintesis dengan metode reduksi Grafit Oksida (GO). Grafit dioksidasi membentuk GO dengan modifikasi metode Hummer. GO diultrasonikasi dengan variasi waktu 60, 90 dan 120 menit. Kemudian proses reduksi GO dilakukan secara kimia dengan penambahan serbuk Zn dan teknik hidrothermal 200 o C dengan variasi waktu tahan 12, 18 dan 24 jam. Analisis morfologi dan struktur graphene dilakukan dengan pengujian SEM dan XRD. Pengujian Iodine Number untuk mengetahui kemampuan graphene menyerap Iodin. Pengujian FTIR untuk mengetahui gugus fungsi yang terbentuk pada GO dan Graphene. Pengujian Four Point Probe Test (FPP) untuk mengukur konduktivitas listrik Graphene. Hasil analsis menunjukkan bahwa graphene hasil ultrasonikasi 120 menit dan Holding 12 jam memiliki struktur Single Layer Graphene (SLG) dengan konduktivitas listrik terbaik 0.0105 S/m. Kata Kunci Graphene, Konduktivitas Listrik, Metode Hummer, Metode Hydrothermal. I. PENDAHULUAN Kemajuan teknologi berkembang sangat cepat diberbagai bidang ilmu. Salah satunya dibuktikan dengan adanya berbagai inovasi perangkat elektronik yang serba canggih misalnya pada chip dan transistor. Namun, saat ini tidak hanya dibutuhkan perangkat elektronik yang serba canggih tetapi juga dibutuhkan yang berukuran lebih kecil dan ringan sehingga memudahkan pengguna yang memiliki mobilitas tinggi karena ringan dan bersifat portable. Oleh karena itu, dibutuhkan inovasi bidang material elektronik untuk menciptakan material elektronik berukuran kecil dan konduktif sehingga dapat memenuhi kebutuhan saat ini. Graphene merupakan material yang sangat berkembang saat ini, menarik untuk dikaji oleh para peneliti dari berbagai bidang ilmu baik Fisika, Kimia, Biologi maupun bidang Teknik material. Pada dasarnya Graphene adalah allotropi karbon yang menjadi struktur dasar untuk pembentukan material berbasis karbon seperti grafit (stacked Graphene), CNT (beberapa layer Graphene yang digulung melingkar terhadap aksial) dan Fullerene [1]. Graphene merupakan satu lapis karbon 2D, dengan struktur menyerupai satu lapis grafit. Graphene menjadi sangat menarik untuk dikaji karena memiliki sifat kelistrikan, termal, dan mekanik yang luar biasa. Struktur yang unik dari Graphene memberikan peningkatan sifat Graphene, misalnya mobilitas pembawa yang tinggi ( 10,000 cm 2 /V s), efek Quantum Hall pada temperatur ruangan, Transparansi optic yang baik (97.7%), luas permukaan spesifik (2630 m 2 /g), Modulus young ( 1 TPa), dan konduktivitas panas yang sangat baik 3000 W/mK [2]. Hingga saat ini, sebagian besar peneliti berfokus pada pengaplikasian Graphene untuk fuel cell dan perangkat photovoltaic, transparent conducting electrode, sensor gas dan bio, transistor, rechargeable battery, dan supercapasitor [3]. Berbagai metode sintesis telah dikembangkan untuk proses sintesis Graphene diataranya adalah CVD lapisan Graphene, micromechanical exfoliation Graphene menggunakan metode peel-off dengan Scotch-tape, Epitaxial growth lapisan Graphene, (d) Sintesis Graphene dari molekul organik. Namun, keempat metode tersebut dinilai kurang efisien dan mahal. Penelitian ini akan membahas mengenai sintesis Graphene dengan metode Reduksi Grafit Oksida (GO) dengan menggunakan variasi lama ultrasonikasi dan proses hydrothermal. Proses sintesis menggunakan reduksi GO dalam pelarut air, dianggap sebagai metode paling sesuai karena bersifat sederhana, sesuai untuk produksi skala besar, dan murah. II. URAIAN PENELITIAN A. Sintesis Grafit Oksida (GO) GO disintesis dengan menggunakan modifikasi metode Hummer. 2 gr grafit direaksikan dengan 80 ml H 2 SO 4 98% dan 4 gr NaNO 3 dengan pengadukan selama 4 jam pada kondisi temperatur dibawah 20 o C sehingga harus menggunakan ice bath. Setelah pengadukan berlangsung 2 jam 8 gr KMnO 4 ditambahkan secara bertahap. Reaksi Asam
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 2 Kuat H 2 SO 4 denga KmnO 4 akan membentuk agen oksidator yang sangat reaktif, Mn 2 O 7. Campuran akan berubah warna dari hijau tua keunguan menjadi coklat tua disertai keluarnya gas NO x. Agar Oksidasi berlangsung sempurna maka pengadukan dilanjutkan hingga 24 jam pada temperatur 35 o C. Kemudian dilakukan penambahan 200 ml aquades secara bertahap dan diaduk selama 1 jam. Reaksi antara aquades dan H 2 SO 4 merupakan reaksi endotermik sehingga akan terjadi kenaikan temperatur hingga 98 o C. Untuk menghilangkan sisa KMnO 4 maka kedalam larutan ditambahkan 15 ml H 2 O 2 30% sehingga larutan berubah warna dari coklat tua menjadi Kuning cerah disertai gelembung-gelembung. Hal ini menandakan derajat oksidasi yang terjadi cukup tinggi. Selanjutnya larutan disentrifuge untuk memisahkan fasa padat dan cair dan dilanjutkan dengan proses pencucian dengan aquades secara berulang dengan tujuan penetralan ph dan mereduksi sisa SO 4 2-. Selama proses pencucian terjadi eksfoliasi GO sehingga GO semakin mengental. Apabila ph sudah netral dan tidak terbentuk endapan putih BaSO 4 setelah titrasi dengan BaCl 2 1M maka GO siap didrying pada 110 o C selama 12 jam. B. Sintesis Graphene Graphene disintesis dengan mereduksi GO menggunakan Zn dan proses Hydrothermal. 40 mg GO didispersikan dalam aquades dengan konsentrasi 1mg/ml kemudian diultrasonikasi semala 60 menit, 90 menit dan 120 menit untuk transformasi dari grafit oksida menjadi graphene oksida. Graphene oksida direduksi dengan penambahan 1.6 gr Zn dan 10 ml HCl 35% diaduk semala 1 jam. Graphene berubah warna dari Coklat gelap menjadi hitam dan bersifat hidrofilik. Selanjutnya ditambahkan 10 ml HCl 35% untuk mereduksi sisa Zn. Graphene hasil reduksi kemudian dinetralkan ph nya dengan pencucian aquades beberapa kali dan dihydrothermal menggunakan autoclave dan dipanaskan dalam furnace pada 200 o C variasi waktu 12 jam, 18 jam dan 24 jam. Secara teoritis, air pada temperatur 200 o C memiliki tekanan 15 atm. Gambar 1. Pada rgo hasil proses hydrothermal 12 jam terbentuk peak pada 2θ ~24 o disertai dengan pelebaran d -spacing berkisar ~ 3.7 Å, lebih lebar dari d -spacing grafit 3.35275 Å. Hal ini mengindikasikan bahwa terjadi pengelupasan lapisan grafit menjadi Single Layer Graphene (SLG). Pada rgo hasil hydrothermal 18 jam terjadi pelebaran peak pada rentang 2θ 23 26 o dengan d -spacing 3.3 3.8 Å. Hal ini disebabkan oleh adanya derajat reduksi yang tidak sama, sebagian GO mengalami laju reduksi tinggi sehingga gugus fungsional oksigen dan air pada interlayer hilang. Bagian yang tereduksi dengan derajat reduksi lebih tinggi terbentuk few Layer Graphene (FLG) pada 2θ 26, sedangkan bagian yang derajat reduksinya lebih rendah terbentuk single layer gaphene (SLG) pada 2θ 23-24. Sedangkan pada rgo hasil hydrothermal selama 24 jam terbentuk puncak pada 2θ 26 o dengan d -spacing mendekati grafit (~3.4 Å). Gugus fungsi hydroxyl dan carboxyl tereduksi sempurna tanpa terjadi pemutusan ikatan bidang C-C sehingga terbentuk struktur Few Layer Graphene [4]. Perbedaan lama pancaran gelombang ultrasonik sebelum proses reduksi mengakibatkan terjadinya perbedaan tinggi puncak difraksi. Puncak difraksi meningkat dengan lamanya proses ultrasonikasi. Hal ini disebabkan oleh semakin banyak jumlah graphene oksida yang terbentuk. C. Karakterisasi Material Graphene Pengamatan struktur GO dan graphene dilakukan menggunakan XRD (Philips Analytical) pada sudut 2θ 5 o 90 o dengan λ Cu-Kα 1.54060 Å. Morfologi graphene diamati menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) FEI Inspec S50. Analisis ikatan pada GO dan graphene diamati menggunakan FTIR (Scientific Nicolet is10). Daya serap graphene terhadap iodine diamati dengan Iodine Number. Sedangkan konduktivitas listrik graphene diukur dengan Four point Probe Test (FPP). III. ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN A. Hasil Uji XRD Pola difraksi sinar-x pada graphene diperlihatkan pada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 3 dengan variasi ultrasonikasi 60 menit dan 120 menit terjadi absorbs pada 2353.36 cm -1 disebabkan oleh O=C=O stretching. Gugus ini bukan merupakan komponen dari graphene, namun gas CO 2 dari lingkungan yang menempel pada permukaan graphene. Gambar 1. Pola Difraksi Sinar-x Pada Graphene Hasil Hydrotherma selama 12 jam 18 jam dan 24 jam Ukuran kristal graphene hasil proses hydrothermal diperlihatkan pada Tabel 1. Graphene hasil hydrothermal memiliki ukuran Kristal dalam skala nanometer. Ukuran kristal terkecil material graphene adalah 83.04 Å, terbentuk pada pada rgo hasil ultrasonikasi 60 menit dan proses hydrothermal selama 12 jam. Holding (jam) 12 18 24 Tabel 1 Ukuran Kristal Material Graphene Sampel Ultrasonikasi B Θ D (Å) (menit) 60 0.017 11.96 83.040 90 0.0085 12.04 166.79 120 0.0069 11.98 203.94 60 0.0033 12.04 418.20 90 0.0045 12.00 309.90 120 0.0069 12.04 203.99 60 0.0069 13.47 205.13 90 0.0033 13.37 420.4 120 0.0045 13.38 311.19 Bentuk ikatan pada GO dan graphene diamati melalui pola spectrum IR. Graphene dan GO memiliki spectrum infrared yang hampir sama. Pada gambar dapat diamati bahwa pada GO terjadi absorbsi kuat pada 3357 cm -1 disebabkan oleh vibrasi O-H stretching, carboxyl stretching C=O dari gugus fungsi COOH terabsorb pada 1723.48 cm -1, C=C aromatic stretching teridentifikasi pada 1615.83 cm -1, C-OH stretching pada 1353.03 cm -1 merupakan vibrasi pada gugus fungsi fenol (hydroxyl) dan C-O stretching pada 1042 cm -1 terabsorb akibat adanya gugus fungsi alkoksi/epoxy [5]. Pada graphene (rgo) tampak terdapat absorbs O-H stretching akibat sisa kandungan air dan C=C aromatic stretching yang merupakan ikatan utama pada struktur graphene. Semakin lama ultrasonikasi maka absorbs C=C aromatic stretching semakin kuat. Sedangkan absorbs C=O stretching (karbonyl group) tidak terjadi, absorbs C-OH (Phenol group) dan C-O (alkoksi/ether group) semakin berkurang. Hal ini mengindikasikan bahwa reduksi GO menjadi graphene berlangsung dengan sempurna. Pada rgo Gambar 2. Spektrum IR Pada Graphene Hasil Hydrothermal 12 jam 18 jam dan 24 jam
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 4 Morfologi material graphene hasil reduksi dengan proses Hydrothermal selama 12 jam diamati menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) seperti pada Gambar 3. secara maksimal pada lembaran grafit oksida. Morfologi graphene hasil Hydrotermal 18 jam sedikit menggumpal karena memiliki struktur campuran baik SLG maupun FLG. Gambar 3. Morfologi graphene hydrothermal 12 jam dengan ultrasonikasi 60 menit 90 menit dan 120 menit pada perbesaran 10000x Dari Gambar 3 dapat diamati bahwa bentuk morfologi graphene menyerupai lembaran-lembaran tipis dan terdapat lipatan-lipatan pada bagian tepi. Graphene dengan perlakuan ultrasonikasi 60 menit memiliki paling banyak lipatan pada bagian tepi. Gambar 5. Morfologi graphene hydrothermal 24 jam dengan ultrasonikasi 60 menit 90 menit dan 120 menit pada perbesaran 10000x Gambar 5 memperlihatkan morfologi graphene hasil proses hydrothermal selama 24 jam. Proses holding yang cukup lama menyebabkan terjadi reduksi secara maksimal sehingga terbentuk beberapa lapis graphene seperti pada Gambar 5. Berdasarkan Gambar 3 5, tampak bahwa semakin lama waktu ultrasonikasi morfologi graphene tampak semakin tipis dan berlipat-lipat Hal ini disebabkan oleh proses pengelupasan pada lembaran-lembaran gafit oksida berlangsung dengan baik. Tebal lapisan graphene yang terbentuk juga meningkat dengan lamanya proses hydrothermal karena terjadi reduksi sempurna pada GO. Gambar 4. Morfologi graphene hydrothermal 18 jam dengan ultrasonikasi 60 menit 90 menit dan 120 menit pada perbesaran 10000x Gambar 4 memperlihatkan bentuk morfologi graphene hasil hydrothermal selama 18 jam dengan berbagai variasi ultrasonikasi. Graphene hasil ultrasonikasi selama 120 menit tampak sangat tipis, hal ini dapat disebabkan oleh proses ultrasonikasi yang cukup lama sehingga terjadi pengelupasan Gambar. 6. Pengaruh Lama Holding Hydrothermal Terhadap Iodin Number Material Graphene
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 5 Graphene hasil Holding 12 jam memiliki daya serap terhadap iodine sangat baik dibandingkan dengan hasil holding hydrothermal 18 jam dan 24 jam seperti Gambar 6. Pada holding hydrothermal 12 jam graphene mampu menyerap iodine sebanyak 2580.3 mg/g sedangkan pada hydrothermal 18 jam dan 24 jam iodine yang dapat terserap adalah 1692 mg/g dan 1269 mg/. Daya serap graphene terhadap iodine menurun dengan semakin lamanya proses hydrothermal. Gambar 8. Pengaruh Lama Holding Hydrothermal terhadap Konduktivitas Listrik Material Graphene Gambar 7. Pengaruh Lama Ultrasonikasi terhadap Iodine Number Material Graphene Graphene hasil ultrasonikasi 120 menit memiliki daya serap lebih baik dari pada hasil ultrasonikasi 90 menit dan 60 menit seperti Gambar 7. Pada ultrasonikasi 120 menit graphene mampu menyerap iodine sebanyak 2580.3 mg/g. Sedangkan pada ultrasonikasi 90 menit dan 60 menit mampu menyerap iodine pada batas 1184.4 mg/g dan 863.48 mg/g. Kemampuan graphene menyerap iodine semakin meningkat dengan bertambahnya waktu ultrasonikasi. Graphene hasil hyrothermal selama 12 jam memiliki konduktivitas listrik lebih besar dibandingkan dengan hydrothermal 18 dan 24 jam seperti Gambar 8. Pada hydrothermal 12 jam konduktivitas graphene mencapai 0.0105 S/m. Sedangkan pada graphene hasil hydrothermal 18 dan 24 jam memiliki konduktivitas listrik pada batas 0.005 S/m dan 0.0032 S/m. Hal ini disebabkan karena terjadi perbedaan struktur yang terbentuk dari masing-masing proses. Pada proses hydrothermal 12 jam struktur yang terbentuk adalah SLG. Pada hydrothermal 18 jam merupakan kombinasi SLG dan FLG. Sedangkan pada hydrothermal 24 jam struktur yang terbentuk adalah FLG. Pada SLG pita konduksi dan pita valensi bertemu pada ujung-ujung Brilloin zone, dengan celah pita mendekati 0 sehingga mudah mentransfer elektron. Hal ini menyebabkan SLG memiliki konduktivitas lebih baik. Sedangkan Pada FLG, celah pita akan semakin lebar seiring dengan jumlah lapisan pada FLG. Oleh karena itu FLG (hydrothermal 24 jam) memiliki kemampuan menghantarkan listrik yang lebih rendah dari pada SLG (hydrothermal 12 jam). Perbedaan lama urtrasonikasi juga memberikan pengaruh signifikan terhadap koduktivitas listrik graphene seperti Gambar 9. Graphene hasil ultrasonikasi 120 menit memiliki konduktivitas 0.0105 S/m, lebih besar dari pada graphene hasil ultrasonikasi 90 menit dan 60 menit yaitu 0.008 S/m dan 0.0075 S/m. Hal ini disebabkan karena proses pengelupasan grafit oksida menjadi graphene oksida meningkat dengan lamanya ultrasonikasi. Gambar. 9. Pengaruh Lama Ultrasonikasi terhadap Konduktivitas Listrik Material Graphene IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Graphene telah berhasil disintesis menggunakan reduksi Graphene oxide (GO) dengan penambahan 1.6 gr Zn dan proses hydrothermal pada 200 o C. Perbedaan lama ultrasonikasi dan proses holding Hydrothermal menyebabkan perbedaan struktur yang terbentuk dan kemampuannya dalam mengalirkan listrik. Semakin lama proses ultrasonikasi maka struktur yang terbentuk akan cenderung pada Single Layer Graphene (SLG) yang memiliki kemampuan tinggi dalam
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 6 menghantarkan listrik. Sedangkan semakin lama proses Holding hydrothermal maka struktur yang terbentuk akan cenderung Few layer Graphene (FLG) yang lebih sulit menghantarkan listrik seiring dengan jumlah lapisan. Sehingga konduktivitas listrik terbaik (0.0105 S/m) tercapai ketika material graphene disintesis dengan menggunakan ultrasonikasi 120 menit dan proses holding 12 jam. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis M.J. mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui Beasiswa Bidik Misi tahun 2010-2014. Penulis juga diperkenankan menyampaikan ucapan terima kasih kepada sponsor penyedia dana penelitian. DAFTAR PUSTAKA [1] S. Basua, P. Bhattacharyya, March 2012. Recent developments on graphene and graphene oxide based solid state gas sensors. Sensor and Actuators B : Chemical (173): 1-21 [2] Teng Zhang, Qingzhong Xue, Shuai Zhang, Mingdong Dong. May 2012. Theoretical approaches to graphene and graphene-based materials. Nano Today (7): 180-200 [3] Ju, Hae-Mi, Sung-Ho Choi, Seung Hun. June 2010. X-Ray Diffraction Pattern of Thermally Reduced Graphenes. Journal of The Korean Physics Society (57) : 1649 1652 [4] Sung Mook Choi, Min Ho Seo, Hyung Ju Kim, Won Bae Kim. April 2011. Synthesis and characterization of graphene-supported metal nanoparticles by impregnation method with heat treatment in H 2 atmosphere. Synthetic Metals (161): 2405-2411 [5] Socrates, George. Infrared and Raman Charachteristic Group Frequencies. New York : John Wiley & Sons (2001)